[2-3-2-1] 太陽の内部 (07/06/27)
06/27/2007 (Wed)
[2] 太陽の一生
�� 恒星として
(��) 現在の太陽
●中心の核融合
現在の太陽の成分(表層において)は、質量比にして約72％が水素、約26％がヘリウム、その他の元素(最も多いのが炭素と酸素)が約2％と測定されている。太陽の質量では、中心温度はおよそ1500万度。水素が燃焼(核融合反応)する温度は約1000万度以上で、ヘリウムが燃焼するには1億度程度の温度が必要になるので、ヘリウムは燃えていない。さらに重い元素が燃えるには、より高い温度が必要となる。
ということで、現時点ではほぼ水素のみが(厳密にはリチウムなども)燃えていることになる。太陽を見ると「火の玉」のように全体が燃えているように見えて、核融合がどこでも起こっているように見えるかもしれないが、実際にはそうではなく、ほとんどの領域で「輝いて」いる。これはつまり、核融合反応が起こっているのは1000万度以上になる中心付近のみ(半径にして20%以下の領域)であり、その外側では光子の伝播が行われているだけで、「燃えて」はいない。要は、身近にある電球のように、光の供給源は中心付近のみであり、ガラスのところまでは輻射(光子の流れ)でエネルギーを伝えている。(しかし、太陽と電球での構造の違いは、太陽には対流層が存在することである。対流層については後述する。)
さて、「高密で、温度が千万度を超えてくると水素の核融合反応が始まる」が、細かく見るとどのようになっているのだろうか。
●トンネル効果
まず、水素原子は1つの陽子からなる原子核が1つの電子を捕獲できる。1万度を超えると、電子の運動が激しくなり、原子核が電子を束縛し続けることができず、飛んで行ってしまう(電離する)。つまり、星の中心部では裸の陽子と単独の電子がたくさん飛び交っている。
核融合反応を起こさせるためには、この陽子どうしがある程度の距離まで接近しなければならない。しかし、陽子は正の電荷を持つので、陽子どうしではクーロン力により反発しあう。さらに、千万度程度では陽子が反応にいたるまでの距離に近づくほどのエネルギーを持っていない。
ここで、この矛盾を説明するために量子力学の助けが必要になる。量子力学とは、極微の世界の物理に対してその効果が現れてくる。特に原子サイズの世界では重要な効果が生じてくる。その1つが“トンネル効果”である。
この考え方として、クーロン反発力を“壁”と捉える。この壁、つまり障壁があることにより陽子どうしが接近することを妨げている。しかし、量子力学においては、この障壁を粒子がある確率ですり抜けるという事態が起こる。これが“トンネル”効果と呼ばれる現象だ。
分かりやすいように、日常の話で考える。問題となっている“粒子のエネルギー”を“声の大きさ”、そして“クーロン障壁”を実際の“壁”に置き換えてみる。
この壁を挟んで部屋が2つあるような建物を考え、2つの部屋に人とマイクをそれぞれ配置する。壁が非常に硬く分厚い場合、いくら人が大きな声を出してもマイクにはその声が届かない。しかし、その壁の厚みを薄くしていくと、だんだんと声が“漏れて”くる。また声の大きさを大きくするにつれ、マイクに拾われる音は大きくなる。
実は、極微の世界では粒子はこの“声”のように波のように扱うことができる(確率の波)。ということで、上の「声と壁」のような現象が極微の世界でおこり、陽子がクーロン反発力の壁を微小な確率で「透過」して核反応が起こる。
●[Energy] equals [Mass] multiplied by [Light Velocity] squared.
ではどうして水素の核融合によってエネルギーが放出されるのだろうか。これを説明するために、エネルギーは質量と等価：「エネルギーは質量×光速の2乗」という関係式を用いる。
太陽の中心で起こる水素の最初の反応は、陽子と陽子が反応して、重水素(陽子と中性子による原子核)と電子を(さらにニュートリノも)生み出す。このとき、陽子2つの合計質量と重水素と電子の合計質量(ニュートリノの質量は無視)を比べると、重水素の側の質量が��mだけ少ない。この「質量欠損」と呼ばれる��mの分が、光子のエネルギー(��mc^2)として放出されることになる。
●核燃焼サイクル
星内部で水素をヘリウムへ変換する核反応には主に2つの“サイクル”が存在する。水素をこのような自然に起こるサイクルによって燃焼させることで、より効率的にエネルギーを作り出せる。
もし、燃焼の効率が悪くなってしまうと、星の収縮を支えるだけの光子圧力を生むことができずに、星はつぶれてしまう。(これは後に述べる超新星爆発そのものである。)
そうならないために、“pp-chain”と“CNO-cycle”という2つのサイクルがあると考えられている。この2つにおいて、pp-の方はCNO-に比べて低温で作動し効率は低い。太陽ではその中心温度のために、このpp-の方が95%も働いている。
もし、太陽の質量がもっと大きく、中心温度がもっと高ければ、CNO-の方が急激に優勢となる。すると、より効率的に水素をヘリウムに変換することができ、より多くのエネルギーを生産することができるようになる。しかし、そうなると、燃やすための燃料消費率が高くなってしまい、早く寿命を迎えてしまうことになる。
まとめると、質量が大きな星ほど中心の燃料がより早く使い果たされ、星として輝くことのできる時間が短くなってしまうということだ。よって、大質量星は寿命が短く、小質量星は長生きする。このことから、低質量の星の周りを回っている惑星の方が、生命にとっては嬉しいということになる。
●太陽ニュートリノ
では、太陽中心部で起きている核反応はどうやって調べることができたのだろうか。
それは、核反応と同時に生み出されるニュートリノが教えてくれた。ニュートリノは物質に対して透過力がものすごく高く、太陽中心部で生成されたニュートリノであっても、地球まで飛んでくる。この核反応の証拠でもあるニュートリノを観測することで、先に述べた核融合サイクルの割合が決まり、太陽の温度がある程度決まる、というわけだ。
---------------------------------------
補足：声とトンネル効果の比較について
音波は自身と同じく縦波で、空気をバネのように前後に伸縮させて伝播する。スピーカーや太鼓の表面が細かく前後に震えるのはこのためである。この音波が固体中を伝わる場合は、その固体自体を同じように振動させて伝わっていく。
空気中から固体中へ音が伝わる時は、固体を振動させるためにエネルギーを費やしてしまう。このため、音が固体表面から内部に伝わっていくにつれ、音の強度(音の振幅、または音の大きさ)は減衰していく。
この音波と、量子力学においてトンネル効果を示す波は物理的に似ているものがある。音波の根源は密度の振動であるが、先ほどから用いている量子力学での波は、存在確率の割合を示している波形であって、実際に何かが振動しているわけではない。これは極微の世界では物質の位置と速度を同時に決めることができない(ハイゼンベルクの不確定性原理)ので、モノを拡大するほどぼやけて見えることになる。だからこの波形を用いて「ある条件において、この領域にはこの確率で存在する」ということを示すことができる。存在する可能性が高ければ振幅が大きく、低ければ振幅も小さい。
しかし、粒子の存在確率を表すこの波形は、単に存在確率を示す便宜上のためだけの波形ではなく、実際には(振動はしないが)音のような波の性質を持っている(粒子と波動の二重性)。その一つの例が、「障壁」に減衰しながら浸透するトンネル効果という現象だ。しかし、音波などとは異なり、この波が浸透できるスケールは極微であって、ナノメートルかそれ以下の単位となる。つまり、これだけ小さなスケールの物質の振る舞いを考える際には必ず「確率的に」トンネル効果が起こることになる。結局、トンネル効果が起こる条件は、位置と速度の不確定性が現れてくる量子力学的スケールにおいて、さらに「障壁」も同じくらいミクロなスケールのときである。
私たちの日常ではこのようなスケールのトンネル効果は「起こっていない」と言っても良いくらいだが、核融合反応などではこのようなことがとても重要になってくる。
�� 恒星として
(��) 現在の太陽
●中心の核融合
現在の太陽の成分(表層において)は、質量比にして約72％が水素、約26％がヘリウム、その他の元素(最も多いのが炭素と酸素)が約2％と測定されている。太陽の質量では、中心温度はおよそ1500万度。水素が燃焼(核融合反応)する温度は約1000万度以上で、ヘリウムが燃焼するには1億度程度の温度が必要になるので、ヘリウムは燃えていない。さらに重い元素が燃えるには、より高い温度が必要となる。
ということで、現時点ではほぼ水素のみが(厳密にはリチウムなども)燃えていることになる。太陽を見ると「火の玉」のように全体が燃えているように見えて、核融合がどこでも起こっているように見えるかもしれないが、実際にはそうではなく、ほとんどの領域で「輝いて」いる。これはつまり、核融合反応が起こっているのは1000万度以上になる中心付近のみ(半径にして20%以下の領域)であり、その外側では光子の伝播が行われているだけで、「燃えて」はいない。要は、身近にある電球のように、光の供給源は中心付近のみであり、ガラスのところまでは輻射(光子の流れ)でエネルギーを伝えている。(しかし、太陽と電球での構造の違いは、太陽には対流層が存在することである。対流層については後述する。)
さて、「高密で、温度が千万度を超えてくると水素の核融合反応が始まる」が、細かく見るとどのようになっているのだろうか。
●トンネル効果
まず、水素原子は1つの陽子からなる原子核が1つの電子を捕獲できる。1万度を超えると、電子の運動が激しくなり、原子核が電子を束縛し続けることができず、飛んで行ってしまう(電離する)。つまり、星の中心部では裸の陽子と単独の電子がたくさん飛び交っている。
核融合反応を起こさせるためには、この陽子どうしがある程度の距離まで接近しなければならない。しかし、陽子は正の電荷を持つので、陽子どうしではクーロン力により反発しあう。さらに、千万度程度では陽子が反応にいたるまでの距離に近づくほどのエネルギーを持っていない。
ここで、この矛盾を説明するために量子力学の助けが必要になる。量子力学とは、極微の世界の物理に対してその効果が現れてくる。特に原子サイズの世界では重要な効果が生じてくる。その1つが“トンネル効果”である。
この考え方として、クーロン反発力を“壁”と捉える。この壁、つまり障壁があることにより陽子どうしが接近することを妨げている。しかし、量子力学においては、この障壁を粒子がある確率ですり抜けるという事態が起こる。これが“トンネル”効果と呼ばれる現象だ。
分かりやすいように、日常の話で考える。問題となっている“粒子のエネルギー”を“声の大きさ”、そして“クーロン障壁”を実際の“壁”に置き換えてみる。
この壁を挟んで部屋が2つあるような建物を考え、2つの部屋に人とマイクをそれぞれ配置する。壁が非常に硬く分厚い場合、いくら人が大きな声を出してもマイクにはその声が届かない。しかし、その壁の厚みを薄くしていくと、だんだんと声が“漏れて”くる。また声の大きさを大きくするにつれ、マイクに拾われる音は大きくなる。
実は、極微の世界では粒子はこの“声”のように波のように扱うことができる(確率の波)。ということで、上の「声と壁」のような現象が極微の世界でおこり、陽子がクーロン反発力の壁を微小な確率で「透過」して核反応が起こる。
●[Energy] equals [Mass] multiplied by [Light Velocity] squared.
ではどうして水素の核融合によってエネルギーが放出されるのだろうか。これを説明するために、エネルギーは質量と等価：「エネルギーは質量×光速の2乗」という関係式を用いる。
太陽の中心で起こる水素の最初の反応は、陽子と陽子が反応して、重水素(陽子と中性子による原子核)と電子を(さらにニュートリノも)生み出す。このとき、陽子2つの合計質量と重水素と電子の合計質量(ニュートリノの質量は無視)を比べると、重水素の側の質量が��mだけ少ない。この「質量欠損」と呼ばれる��mの分が、光子のエネルギー(��mc^2)として放出されることになる。
●核燃焼サイクル
星内部で水素をヘリウムへ変換する核反応には主に2つの“サイクル”が存在する。水素をこのような自然に起こるサイクルによって燃焼させることで、より効率的にエネルギーを作り出せる。
もし、燃焼の効率が悪くなってしまうと、星の収縮を支えるだけの光子圧力を生むことができずに、星はつぶれてしまう。(これは後に述べる超新星爆発そのものである。)
そうならないために、“pp-chain”と“CNO-cycle”という2つのサイクルがあると考えられている。この2つにおいて、pp-の方はCNO-に比べて低温で作動し効率は低い。太陽ではその中心温度のために、このpp-の方が95%も働いている。
もし、太陽の質量がもっと大きく、中心温度がもっと高ければ、CNO-の方が急激に優勢となる。すると、より効率的に水素をヘリウムに変換することができ、より多くのエネルギーを生産することができるようになる。しかし、そうなると、燃やすための燃料消費率が高くなってしまい、早く寿命を迎えてしまうことになる。
まとめると、質量が大きな星ほど中心の燃料がより早く使い果たされ、星として輝くことのできる時間が短くなってしまうということだ。よって、大質量星は寿命が短く、小質量星は長生きする。このことから、低質量の星の周りを回っている惑星の方が、生命にとっては嬉しいということになる。
●太陽ニュートリノ
では、太陽中心部で起きている核反応はどうやって調べることができたのだろうか。
それは、核反応と同時に生み出されるニュートリノが教えてくれた。ニュートリノは物質に対して透過力がものすごく高く、太陽中心部で生成されたニュートリノであっても、地球まで飛んでくる。この核反応の証拠でもあるニュートリノを観測することで、先に述べた核融合サイクルの割合が決まり、太陽の温度がある程度決まる、というわけだ。
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補足：声とトンネル効果の比較について
音波は自身と同じく縦波で、空気をバネのように前後に伸縮させて伝播する。スピーカーや太鼓の表面が細かく前後に震えるのはこのためである。この音波が固体中を伝わる場合は、その固体自体を同じように振動させて伝わっていく。
空気中から固体中へ音が伝わる時は、固体を振動させるためにエネルギーを費やしてしまう。このため、音が固体表面から内部に伝わっていくにつれ、音の強度(音の振幅、または音の大きさ)は減衰していく。
この音波と、量子力学においてトンネル効果を示す波は物理的に似ているものがある。音波の根源は密度の振動であるが、先ほどから用いている量子力学での波は、存在確率の割合を示している波形であって、実際に何かが振動しているわけではない。これは極微の世界では物質の位置と速度を同時に決めることができない(ハイゼンベルクの不確定性原理)ので、モノを拡大するほどぼやけて見えることになる。だからこの波形を用いて「ある条件において、この領域にはこの確率で存在する」ということを示すことができる。存在する可能性が高ければ振幅が大きく、低ければ振幅も小さい。
しかし、粒子の存在確率を表すこの波形は、単に存在確率を示す便宜上のためだけの波形ではなく、実際には(振動はしないが)音のような波の性質を持っている(粒子と波動の二重性)。その一つの例が、「障壁」に減衰しながら浸透するトンネル効果という現象だ。しかし、音波などとは異なり、この波が浸透できるスケールは極微であって、ナノメートルかそれ以下の単位となる。つまり、これだけ小さなスケールの物質の振る舞いを考える際には必ず「確率的に」トンネル効果が起こることになる。結局、トンネル効果が起こる条件は、位置と速度の不確定性が現れてくる量子力学的スケールにおいて、さらに「障壁」も同じくらいミクロなスケールのときである。
私たちの日常ではこのようなスケールのトンネル効果は「起こっていない」と言っても良いくらいだが、核融合反応などではこのようなことがとても重要になってくる。
星の一生 ： 今後の予定
06/19/2007 (Tue)
太陽の中心から外側までをざっとまとめる。
中心→輻射層→対流層→表面、そして全体
図
http://soi.stanford.edu/results/sundiag.jpg
��)中心
主な活動：水素原子の核融合
特徴：温度＞千万度、半径の約20％までで、質量占有率約30％の領域：中心圧力〜100g/cc
キーワード：トンネル効果(量子力学)、E=mc^2、核燃焼サイクル、太陽ニュートリノ
��)中心〜対流層
主な活動：エネルギーの伝達
特徴：半径の約70％までが輻射層、それ以降は対流層
(半径にして表面から30％だが、質量占有率は3%ほど)
キーワード：不透明度
��)表面
主な活動：対流層の対流や乱流によって生じる磁場の入り乱れ
特徴：光球(温度約6000度)、彩層(温度約1万度)、コロナ(温度約100万度)
キーワード：磁場構造、太陽活動周期
��)全体
主な活動：回転運動と粒子放出
キーワード：差動回転、太陽風
中心→輻射層→対流層→表面、そして全体
図
http://soi.stanford.edu/results/sundiag.jpg
��)中心
主な活動：水素原子の核融合
特徴：温度＞千万度、半径の約20％までで、質量占有率約30％の領域：中心圧力〜100g/cc
キーワード：トンネル効果(量子力学)、E=mc^2、核燃焼サイクル、太陽ニュートリノ
��)中心〜対流層
主な活動：エネルギーの伝達
特徴：半径の約70％までが輻射層、それ以降は対流層
(半径にして表面から30％だが、質量占有率は3%ほど)
キーワード：不透明度
��)表面
主な活動：対流層の対流や乱流によって生じる磁場の入り乱れ
特徴：光球(温度約6000度)、彩層(温度約1万度)、コロナ(温度約100万度)
キーワード：磁場構造、太陽活動周期
��)全体
主な活動：回転運動と粒子放出
キーワード：差動回転、太陽風
[2-3-1]ゼロ歳児 (07/06/01)
06/19/2007 (Tue)
[2] 太陽の一生
�� 恒星として
(��) ゼロ歳児
太陽の素となる巨大ガス雲は、収縮して重力エネルギーを解放しながら、内部温度に変換してエネルギーを蓄えていく。一般的に、エネルギーというものは拡散していく。この内部温度もそうで、徐々に外側へ伝達されていく。では、どういった手段で伝達されるのだろうか。
まず、伝達方法は大きく分けて、熱伝導・輻射・対流の3つがある。
熱伝導は、金属に触れて冷たいと感じるときなどに起こっていて、ある程度密度の高いものどうしの間で、温度の高い方から低い方へ熱が移動することを言う。
次に、輻射というのは光子を放出・吸収することで熱を伝える。日常の例で言うと、動物は体温を持っていて、（サーモグラフィーで見るとよくわかるが）赤外線を放射して熱放射をしている。これは密度が薄いほど拡散性が高い。
最後に、対流というのは、日常ではお味噌汁の沸騰している様子がまさにそれである。物質が内部から表面へ、表面から内部へ、この循環が対流である。
恒星というものは、このエネルギー伝達手段で大局的な構造が決定される。
星の内部ではまず、密度の薄い時期は熱伝導の効果が低く、さらに核融合開始前では十分なエネルギーの光子が存在せず、輻射による光子はすぐに粒子に吸収されてしまう。ということで、収縮初期では対流が主に働いて、熱を外へ外へと運んでいく。そして、ある程度密度が高くなると今度は中心部で熱伝導が効いてくる。そうして、最後に中心温度が1000万度程度になるまで収縮すると、ようやく水素の核融合反応が始まり、高いエネルギーを持った光子が生産されて中心部から輻射が効き始めてくる。
この核融合反応で生成されたエネルギーは莫大なものであり、エネルギーを伝達させるために光子たちが外へ外へ出ようとする。この出ようとする圧力によって、今まで続いていたガスの収縮が収まり、最終的には力学的な釣り合いに達し、安定期に入る。
この初期の核融合で得られた光子たちがガスによって繰り返し吸収放射されて星の表面まで到達し、さらに星周辺部のガスをある程度吹き飛ばす段階までくると、めでたく"恒星"としての「ゼロ歳」を迎え、安定期である「主系列星」という分類に入る。(ゼロ歳の主系列星のことを、Zero-Age Main Sequence : ZAMS[ザムス]と呼ぶ。)
こうして、核融合が始まって、それによって得られるエネルギーが自分自身を光らせるものが「恒星」と呼ばれる。
�� 恒星として
(��) ゼロ歳児
太陽の素となる巨大ガス雲は、収縮して重力エネルギーを解放しながら、内部温度に変換してエネルギーを蓄えていく。一般的に、エネルギーというものは拡散していく。この内部温度もそうで、徐々に外側へ伝達されていく。では、どういった手段で伝達されるのだろうか。
まず、伝達方法は大きく分けて、熱伝導・輻射・対流の3つがある。
熱伝導は、金属に触れて冷たいと感じるときなどに起こっていて、ある程度密度の高いものどうしの間で、温度の高い方から低い方へ熱が移動することを言う。
次に、輻射というのは光子を放出・吸収することで熱を伝える。日常の例で言うと、動物は体温を持っていて、（サーモグラフィーで見るとよくわかるが）赤外線を放射して熱放射をしている。これは密度が薄いほど拡散性が高い。
最後に、対流というのは、日常ではお味噌汁の沸騰している様子がまさにそれである。物質が内部から表面へ、表面から内部へ、この循環が対流である。
恒星というものは、このエネルギー伝達手段で大局的な構造が決定される。
星の内部ではまず、密度の薄い時期は熱伝導の効果が低く、さらに核融合開始前では十分なエネルギーの光子が存在せず、輻射による光子はすぐに粒子に吸収されてしまう。ということで、収縮初期では対流が主に働いて、熱を外へ外へと運んでいく。そして、ある程度密度が高くなると今度は中心部で熱伝導が効いてくる。そうして、最後に中心温度が1000万度程度になるまで収縮すると、ようやく水素の核融合反応が始まり、高いエネルギーを持った光子が生産されて中心部から輻射が効き始めてくる。
この核融合反応で生成されたエネルギーは莫大なものであり、エネルギーを伝達させるために光子たちが外へ外へ出ようとする。この出ようとする圧力によって、今まで続いていたガスの収縮が収まり、最終的には力学的な釣り合いに達し、安定期に入る。
この初期の核融合で得られた光子たちがガスによって繰り返し吸収放射されて星の表面まで到達し、さらに星周辺部のガスをある程度吹き飛ばす段階までくると、めでたく"恒星"としての「ゼロ歳」を迎え、安定期である「主系列星」という分類に入る。(ゼロ歳の主系列星のことを、Zero-Age Main Sequence : ZAMS[ザムス]と呼ぶ。)
こうして、核融合が始まって、それによって得られるエネルギーが自分自身を光らせるものが「恒星」と呼ばれる。
[2-2-3]8人の小人 (07/05/25)
06/19/2007 (Tue)
[2] 太陽の一生
�� 太陽が星になるまで
(��) 太陽と８人の小人たち
太陽の素となる巨大ガス雲の中心部は、収縮をしつつ核融合の準備を進めている。では、中心部以外の場所はどのように形作られていくのだろうか。
ガス雲はもともと真ん丸の球状をしているわけではない。その形は細長かったり、凸凹と歪だったりする。
そういう系が、だんだんと重力によって収縮していく時、もし衝突せずにいると、重心よりも外側のものほど重心に近づくに連れて速度が速くなる。さらに、ガス粒子自体がランダムな方向へ運動しているので、まっすぐ重心に向かって落下するのではなく、重心に対して回転する運動となる。
回転となると、常に遠心力が関わってくる。この遠心力は重力による落下を抑える働きをするので、回転速度が速いほどなかなか重心近くまで降りてこないことになる。
では、このような個々の粒子の振る舞いによって、ガス雲は全体としてどのような運動や形となるだろうか。
ここで、物理学的には個々の粒子の角運動量(ベクトル)を合計できれば優勢な回転平面をある程度計算できる。さて、実際にはどういったことが起こるのだろうか。
イメージとして、巨大な雲をいくつかのブロックに分解してみよう。そのブロックの運動はブロック内部の運動の平均として考える。(この方法は、数値計算でよく使われる手法)こうすると、風船のようなものが宇宙空間にたくさん存在するような状況に置き換えることができる。
さて、その風船たちは重力の束縛を受けつついろんな方向へ回転しているが、風船同士が衝突すると回転の方向がわずかに変化する。先ほど述べたが、重心よりも遠くにあった風船ほど内側ではより運動エネルギーが大きくなるので(角運動量保存)、他のブロックの回転方向を変える威力は強い。言い換えると、より外側の風船ほど大きな角運動量を持っているので、ガス雲内部で"流れ"を生み出す。
こうして、ある1つの平面内で優勢な流れが生まれると、もはや流れるプールができたかのごとく、他の粒子もどんどんその平面内の流れ(回転円盤)に飲み込まれ、沈殿していく。
さらに、その円盤内でも次々と衝突が起こり、小さな塊が成長して大きくなっていく。これが惑星の種となる。この種は、このあと周りのチリや小さな塊を引き付けて、回転円盤の"お掃除"をしながら大きくなっていく。このようにして、太陽系は今のような透き通った構造を作り上げた。
ここまでの話からすると、円盤(原始太陽系円盤)内で惑星の種が生まれるので、そこで育った惑星たちの運動はある１つの平面内からあまり外れない軌道で運行することになる。
そうなると、この円盤から17度も傾いた軌道を描く冥王星という矮惑星は、原始太陽系円盤の時に私たちの地球と一緒に生まれた同輩なのだろうか。
参考：軌道傾斜角
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%BB%8C%E9%81%93%E5%82%BE%E6%96%9C%E8%A7%92
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�� 太陽が星になるまで
(��) 太陽と８人の小人たち
太陽の素となる巨大ガス雲の中心部は、収縮をしつつ核融合の準備を進めている。では、中心部以外の場所はどのように形作られていくのだろうか。
ガス雲はもともと真ん丸の球状をしているわけではない。その形は細長かったり、凸凹と歪だったりする。
そういう系が、だんだんと重力によって収縮していく時、もし衝突せずにいると、重心よりも外側のものほど重心に近づくに連れて速度が速くなる。さらに、ガス粒子自体がランダムな方向へ運動しているので、まっすぐ重心に向かって落下するのではなく、重心に対して回転する運動となる。
回転となると、常に遠心力が関わってくる。この遠心力は重力による落下を抑える働きをするので、回転速度が速いほどなかなか重心近くまで降りてこないことになる。
では、このような個々の粒子の振る舞いによって、ガス雲は全体としてどのような運動や形となるだろうか。
ここで、物理学的には個々の粒子の角運動量(ベクトル)を合計できれば優勢な回転平面をある程度計算できる。さて、実際にはどういったことが起こるのだろうか。
イメージとして、巨大な雲をいくつかのブロックに分解してみよう。そのブロックの運動はブロック内部の運動の平均として考える。(この方法は、数値計算でよく使われる手法)こうすると、風船のようなものが宇宙空間にたくさん存在するような状況に置き換えることができる。
さて、その風船たちは重力の束縛を受けつついろんな方向へ回転しているが、風船同士が衝突すると回転の方向がわずかに変化する。先ほど述べたが、重心よりも遠くにあった風船ほど内側ではより運動エネルギーが大きくなるので(角運動量保存)、他のブロックの回転方向を変える威力は強い。言い換えると、より外側の風船ほど大きな角運動量を持っているので、ガス雲内部で"流れ"を生み出す。
こうして、ある1つの平面内で優勢な流れが生まれると、もはや流れるプールができたかのごとく、他の粒子もどんどんその平面内の流れ(回転円盤)に飲み込まれ、沈殿していく。
さらに、その円盤内でも次々と衝突が起こり、小さな塊が成長して大きくなっていく。これが惑星の種となる。この種は、このあと周りのチリや小さな塊を引き付けて、回転円盤の"お掃除"をしながら大きくなっていく。このようにして、太陽系は今のような透き通った構造を作り上げた。
ここまでの話からすると、円盤(原始太陽系円盤)内で惑星の種が生まれるので、そこで育った惑星たちの運動はある１つの平面内からあまり外れない軌道で運行することになる。
そうなると、この円盤から17度も傾いた軌道を描く冥王星という矮惑星は、原始太陽系円盤の時に私たちの地球と一緒に生まれた同輩なのだろうか。
参考：軌道傾斜角
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%BB%8C%E9%81%93%E5%82%BE%E6%96%9C%E8%A7%92
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[2-2-2]引き金 (07/05/10)
06/19/2007 (Tue)
[2] 太陽の一生
�� 太陽が星になるまで
(��) ガス雲が集まりだす引き金
先の節で、ガスが集まり出した後の説明をしたが、そのきっかけにはどんなものがあるだろうか。
まず1つ目は、宇宙初期にもとから存在していた"温度ムラ" が宇宙膨張によって成長したことに原因がある。これは最初、 ビッグバン宇宙論から見積もられていたことであるが、その観測的証拠となるものが宇宙マイクロ波背景放射の温度ムラとして発見されている。
この温度のムラは密度のムラに変換され、このムラにおいて密度の濃い部分が自然に収縮していき初代の恒星が生まれた、 というシナリオだ。つまり、この場合の"引き金"は宇宙膨張、特に宇宙開闢のときのインフレーション(爆発的宇宙膨張)ということになる。(この分野は物理学の中でも特に複雑な問題が絡んでくるので、これ以上は立ち入らないことにする。)
さて、その次の世代以降の太陽のような星はどのようなきっかけで形成されたかというと、それは宇宙空間を吹き荒ぶ"風"だ。
風というのは一般的に密度の変化をもたらす。身近な例でいうと、落ち葉で散らかった地面が風によって自然に葉っぱが集められるという現象がある。では、宇宙での風とは一体何だろうか。
それは"恒星風"と呼ばれるものである。星はただ輝いているだけでなく、微粒子を常に吹き飛ばしている。また、星から放出される"光の圧力"というものもあり、これらの風圧の強さは、太陽のような軽い星では弱いが、重い星になるほど強くなる傾向がある。こういった風によって、もとは薄く分布していたガスが圧迫を受けて、星形成の引き金となる。
他には、密度の高い場所にガス雲が突っ込む場合に、同様な圧迫を受けて星形成が始まる場合がある。これは、銀河中での"腕"で起こっている現象だ。これについては、「銀河」を説明する機会があった時に譲る。
次回は、実際に太陽系がどのようにして今の状態になっていったかという標準的なモデルについて説明します。
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�� 太陽が星になるまで
(��) ガス雲が集まりだす引き金
先の節で、ガスが集まり出した後の説明をしたが、そのきっかけにはどんなものがあるだろうか。
まず1つ目は、宇宙初期にもとから存在していた"温度ムラ" が宇宙膨張によって成長したことに原因がある。これは最初、 ビッグバン宇宙論から見積もられていたことであるが、その観測的証拠となるものが宇宙マイクロ波背景放射の温度ムラとして発見されている。
この温度のムラは密度のムラに変換され、このムラにおいて密度の濃い部分が自然に収縮していき初代の恒星が生まれた、 というシナリオだ。つまり、この場合の"引き金"は宇宙膨張、特に宇宙開闢のときのインフレーション(爆発的宇宙膨張)ということになる。(この分野は物理学の中でも特に複雑な問題が絡んでくるので、これ以上は立ち入らないことにする。)
さて、その次の世代以降の太陽のような星はどのようなきっかけで形成されたかというと、それは宇宙空間を吹き荒ぶ"風"だ。
風というのは一般的に密度の変化をもたらす。身近な例でいうと、落ち葉で散らかった地面が風によって自然に葉っぱが集められるという現象がある。では、宇宙での風とは一体何だろうか。
それは"恒星風"と呼ばれるものである。星はただ輝いているだけでなく、微粒子を常に吹き飛ばしている。また、星から放出される"光の圧力"というものもあり、これらの風圧の強さは、太陽のような軽い星では弱いが、重い星になるほど強くなる傾向がある。こういった風によって、もとは薄く分布していたガスが圧迫を受けて、星形成の引き金となる。
他には、密度の高い場所にガス雲が突っ込む場合に、同様な圧迫を受けて星形成が始まる場合がある。これは、銀河中での"腕"で起こっている現象だ。これについては、「銀河」を説明する機会があった時に譲る。
次回は、実際に太陽系がどのようにして今の状態になっていったかという標準的なモデルについて説明します。
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雰囲気の違う別物を作りたくなったものでして。
ていうかこのブログはいろいろ詰め込みすぎなので、写真だけををパラパラと見れるのもいch > 鉄線さん写真専用ブログエヘヘｗどうもどうも(^o^)/ch > S1さん写真専用ブログ『with i4R』私も見せていただきました。
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色々できて、すばらしいですね！鉄線写真専用ブログウフフｗ見たぞみたぞぉ〜〜〜ｗｗｗS1小ホールはじめまして＾＾
通りすがりにお邪魔させて頂きました＾＾ 応援ポチッ!!
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何か、ちょっとおかしくなると、振り回されますね。鉄線秋晴れありがと！博士、写真届きましたよ。どうもありがと！(^_^)/鉄線秋晴れ今日はそちらの棟でもたしかに、眼下に美しい景色が広がってますよね(^-^)A棟なんかは特に綺麗でした。
実家では勉強できない性格なので、大学のデスクでは書斎代わりにいろんなch > S1さん秋晴れ背景デスクトップ背景にしてくださるなら、もっと解像度のいい写真を明日お送りしますよ(^o^)
以前左下のところにメッセージをくれたときのアドレスに送りますので。ch > 鉄線さん秋晴れきれい〜天文は無意味に高いところに部屋が配置されているので、いつも面倒だな〜と思いながら階段を渋々上がってます。だから、たまにはこういうものも味わっておかないと(^-^)
ch > p☆さん